CN101873280A - 蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法，包括步骤为：用户向基站发射探测导频信息，同时中继在途中监听；中继进行信道估计处理，得到用户与中继间的信道状态信息；基站也进行信道估计处理，得到用户与基站间的信道状态信息；基站对原始数据信息进行预处理，得到基站预处理数据信息；基站将基站预处理数据信息和专用导频发送给用户，同时基站将基站预处理数据信息通过广播的方式发送给中继，中继对接收到的信息进行预处理，得到中继预处理数据信息；用户将接收到的基站预处理数据信息和中继预处理数据信息进行合并处理，得到原始数据信息。本发明提高了用户的通信质量和系统容量，减少信令开销，有效减少了系统的时延。

Description

蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法。

背景技术

中继作为网络中引入的新的结点，将成为LTE-Advanced系统的关键技术。中继的作用主要体现在：扩大小区的覆盖范围，为小区中阴影衰落严重的地区以及覆盖的死角提供服务信号，提供热点地区的覆盖以及室内覆盖等，从而提高系统容量。同时中继设备的复杂度远低于基站，因此利用中继进行小区覆盖会使得网络建设成本降低。早期的中继只是简单的起到信号放大的作用，将接收到的信号不经任何处理直接放大并再次发送出去。这种方法的致命缺点在于因为无法区分有用信号和噪声信号，放大有用信号的同时也放大了噪声信号，对用户端产生了很强的干扰。随着LTE-Advanced对系统性能需求的提高，中继在网络中的功能越发强大，引入中继所达到的效果越发的明显。对于空间复用，LTE既支持开环方式的空间复用，又支持闭环方式的空间复用，即所谓的线性预编码技术。线性预编码操作的作用是将天线域的处理转换成波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。

经过对现有技术文献的检索发现，CATT，ZTE等公司提出的“3GPP R1-071749.CATT，ZTE Precoding for EUTRA TDD”-3GPP TSG RAN WG1 Meeting #48bis(基于时分复用的演进通用地面无线接入的预编码)中，提出了两种不同的预编码方式，即非码本的预编码操作与基于码本的预编码操作。这两种方法都是在下行链路中使用预编码技术，旨在获取空间信道信息后降低误码率。但是这两种方法都没有考虑到中继在无线网络中的重要作用，因而无法应用到LTE-Advanced中；另外，基于码本的方法延时较长，无法胜任对于实时性要求较高的系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法。本发明利用多中继在无线网络中的协同作用，实现了预编码效率的提升以及用户信息速率的提高，同时降低了系统时延，使系统满足实时性的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，用户向基站发射探测导频信息，同时覆盖该用户的中继在途中监听。

第二步，接收到探测导频信息的中继进行信道估计处理，得到用户与中继间的信道状态信息；接收到探测导频信息的基站也进行信道估计处理，得到用户与基站间的信道状态信息。

所述的信道估计处理是最小二乘法，或者是最小均方误差法。

第三步，基站对原始数据信息进行预处理，得到基站预处理数据信息。

所述的预处理，是：利用现有技术中的奇异值求解方法或者是均匀信道分解方法得到预处理矩阵，然后将原始数据信息与预处理矩阵相乘得到预处理数据信息。

第四步，基站将基站预处理数据信息和专用导频发送给用户，同时基站将基站预处理数据信息通过广播的方式发送给中继，中继对接收到的信息进行预处理，得到中继预处理数据信息。

第五步，用户将接收到的基站预处理数据信息和中继预处理数据信息进行合并处理，得到原始数据信息。

所述的合并处理是现有技术中的选择合并方法，或者是现有技术中的最大比合并方法，或者是现有技术中的等增益合并方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将中继这一关键技术引入到信息预处理操作，有效地增加了系统的通信容量，提高了用户的通信质量和系统容量；

2、基站向小区内各个中继进行广播，以达到传输数据的目的，可减少信令开销；

3、基站和中继的预编码方式都是基于非码本的预编码，这有效地减少了系统的延时，满足了实时系统的要求。

附图说明

图1是分别采用实施例1的方法和现有技术方法得到的信息率比较示意图；

图2是分别采用实施例2的方法和现有技术方法得到的信息率比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

第一步，用户向基站发射探测导频信息，同时覆盖该用户的中继在途中监听。

所述的探测导频信息是一个特定的载波频率，其具备波的基本特征，有特定的相位和幅度。

第二步，接收到探测导频信息的中继进行信道估计处理，得到用户与中继之间的信道状态信息；接收到探测导频信息的基站也进行信道估计处理，得到用户与基站间的信道状态信息。

所述的信道状态信息包括：多径相位信息、时延信息和幅度衰落常数。

本实施例的信道估计处理采用现有技术的最小二乘法，从而得到空间信道矩阵。

第三步，基站对原始数据信息进行预处理，得到基站预处理数据信息。

本实施例中的预处理采用奇异值求解方法，包括以下步骤：

1)得到预处理矩阵，具体公式为：

H＝U∧V^H，

其中：H是空间信道矩阵，U是维数为N×N的酉矩阵，V是维数为M×M的酉矩阵，∧是维数为N×M的矩阵且其对角线元素是按从大到小进行排序的非负的实数、非对角线元素为0，M是发送天线的数目，N是接收天线的数目，∧就是预处理矩阵；

2)将原始数据信息与预处理矩阵∧相乘，得到预处理数据信息。

第四步，基站将基站预处理数据信息和专用导频发送给用户，同时基站将该基站预处理数据信息通过广播的方式发送给中继，中继对接收到的信息进行预处理，得到中继预处理数据信息。

本步骤中的预处理与第三步的预处理方法相同。

第五步，用户将接收到的基站预处理数据信息和中继预处理数据信息进行合并处理，得到原始数据信息。

本实施例中用户接收到的基站预处理数据信息，具体为：

r₀＝H₀y₀+n₀，

其中：r₀是用户接收到的基站预处理数据信息，H₀是基站和用户间的信道矩阵，y₀是基站预处理数据信息，n₀是用户和基站间的噪声向量。

本实施例中用户接收到的中继预处理数据信息，具体为：

r_i＝H_iy_i+n_i，

其中：r_i是用户接收到的第i个中继预处理数据信息，H_i是用户和第i个中继间的信道矩阵，y_i是第i个中继预处理数据信息，n_i是用户和第i个中继间的噪声向量。

本实施例中采用最大比合并方法进行合并处理，具体是要求用户接收到的基站预处理数据信息和用户接收到的中继预处理数据信息相干，即满足：

$\frac{{h_0}^2{P}_0}{{n_0}^2}=\frac{{h_i}^2{P}_i}{{n_i}^2},$

其中：h₀是用户和基站间的信号增益，h_i是用户和第i个中继间的信号增益，P₀是基站的发射功率，P_i是第i个中继的发射功率，n₀ ²是用户和基站间的噪声功率，n_i ²是用户和第i个中继间的噪声功率。

采用本实施例方法得到的用户的总数据传输率C₁为：

$C_1={B\log }_2(1+\frac{{h_0}^2{P}_0}{{n_0}^2}+\frac{\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{h_i}^2{P}_i}{{n_0}^2})$ (公式一)

其中：B是信道带宽，S是中继的总数目。

当没有中继时，得到的用户的总数据传输率C′为：

$C^{\′}=B{\log }_2(1+\frac{{h_0}^2{P}_0}{{n_0}^2})$ (公式二)

比较(公式一)和(公式二)可知：本实施例方法得到的用户的总数据传输率得到大大提高。

当中继与用户间的信噪比为30dB时，分别采用本实施例方法(中继数目为2)和没有中继的方法得到的用户的信息率如图1所示，该图同样证明了本实施例方法引入中继节点后，用户的数据传输率得到了明显的提高。

此外，本实施例方法中基站在向中继传输数据符号时，采用广播的方式，而不是定点传输，从而减小了基站的信令开销；本实施例方法基于非码本，在达到相同信息速率的前提下，当基站和中继的时延为3ms，用户的处理时延为2ms时，本实施例方法的系统时延约为23ms，而基于码本的方法的系统的时延达30ms，故本实施例方法大大减少了系统的时延。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

第一步，用户向基站发射探测导频信息，同时覆盖该用户的中继在途中监听。

所述的探测导频信息是一个特定的载波频率，其具备波的基本特征，有特定的相位和幅度。

第二步，接收到探测导频信息的中继进行信道估计处理，得到用户与中继之间的信道状态信息；接收到探测导频信息的基站也进行信道估计处理，得到用户与基站间的信道状态信息。

所述的信道状态信息包括：多径相位信息、时延信息和幅度衰落常数。

本实施例的信道估计处理采用现有技术的最小均方误差法，从而得到空间信道矩阵。

第三步，基站对原始数据信息进行预处理，得到基站预处理数据信息。

本实施例中的预处理采用均匀信道分解方法，包括以下步骤：

1)得到预处理矩阵，具体公式为：

$F=V{\mathrm{\Φ}}^{\frac{1}{2}}{P}_G^T,$

其中：H＝U∧V^H(几何均值分解)，

$\mathrm{diag}\{\sqrt{1+{\mathrm{\λ}}_1^2{\mathrm{\Φ}}_1},\sqrt{1+{\mathrm{\λ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_2},...,\sqrt{1+{\mathrm{\λ}}_i^2{\mathrm{\Φ}}_i},...1\}=Q_G{R}_G{P}_G,$

F是预处理矩阵，φ由注水法得到，H是空间信道矩阵，U是维数为N×N的酉矩阵，V是维数为M×M的酉矩阵，∧是维数为N×M的矩阵且其对角线元素λ_i是按从大到小进行排序的非负的实数、非对角线元素为0，M是发送天线的数目，N是接收天线的数目；

2)将原始数据信息与预处理矩阵相乘，得到预处理数据信息。

第四步，基站将基站预处理数据信息和专用导频发送给用户，同时基站将该基站预处理数据信息通过广播的方式发送给中继，中继对接收到的信息进行预处理，得到中继预处理数据信息。

本步骤中的预处理与第三步的预处理方法相同。

第五步，用户将接收到的基站预处理数据信息和中继预处理数据信息进行合并处理，得到原始数据信息。

本实施例中的合并处理采用选择合并方法，其加权系数的取值为：

${\mathrm{\α}}_i=\left\{\begin{array}{c}1,{\mathrm{\γ}}_i={\mathrm{\γ}}_{\max }\\ 0,{\mathrm{\γ}}_i\≠{\mathrm{\γ}}_{\max }\end{array}\right.,$

α_i是第i个信道的加权系数，γ_i是第i个信道的信噪比，γ_max是所有信道的信噪比的最大值。

采用本实施例方法得到的用户的总数据传输率C₂为：

$C_2=B{\log }_2(1+\frac{{h_0}^2{P}_0}{{n_0}^2}+{\mathrm{\γ}}_{\max }),$ (公式三)

其中：B是信道带宽，h₀是用户和基站间的信号增益，P₀是基站的发射功率，n₀ ²是用户和基站间的噪声功率。

当没有中继时，得到的用户的总数据传输率C′(如公式二)为：

$C^{\′}={B\log }_2(1+\frac{{h_0}^2{P}_0}{{n_0}^2})$

比较(公式三)和(公式二)可知：本实施例方法得到的用户的总数据传输率得到大大提高。

当中继与用户间的信噪比为30dB时，分别采用本实施例方法(中继数目为2)和没有中继的方法得到的用户的信息率如图2所示，该图同样证明了本实施例方法引入中继节点后，用户的数据传输率得到了明显的提高。本实施例中由于选择了信噪比最大的一路信道的信息，所以数据传输率较图1中使用最大比合并的方法略微有所减少，但是该方法对于恶劣通信环境，即用户和基站间的信道质量较差的环境的数据传输率的提升还是很可观的。

本实施例的时延与实施例1的时延相同，同样大大减少了系统的时延。

Claims (4)

1.一种蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，用户向基站发射探测导频信息，同时覆盖该用户的中继在途中监听；

第二步，接收到探测导频信息的中继进行信道估计处理，得到用户与中继间的信道状态信息；接收到探测导频信息的基站也进行信道估计处理，得到用户与基站间的信道状态信息；

第三步，基站对原始数据信息进行预处理，得到基站预处理数据信息；

第四步，基站将基站预处理数据信息和专用导频发送给用户，同时基站将基站预处理数据信息通过广播的方式发送给中继，中继对接收到的信息进行预处理，得到中继预处理数据信息；

第五步，用户将接收到的基站预处理数据信息和中继预处理数据信息进行合并处理，得到原始数据信息。

2.根据权利要求1所述的蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法，其特征是，所述的信道估计处理是最小二乘法，或者是最小均方误差法。

3.根据权利要求1所述的蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法，其特征是，所述的预处理，是：利用奇异值求解方法或者是均匀信道分解方法得到预处理矩阵，然后将原始数据信息与预处理矩阵相乘得到预处理数据信息。

4.根据权利要求1所述的蜂窝网络中多中继参与的信息预处理方法，其特征是，所述的合并处理是选择合并方法，或者是最大比合并方法，或者是等增益合并方法。

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